Heatpipes. wir liefern Lösungen! Kundenspezifische Anwendungen Lösungen für Hochleistungswärmetechnik Heatpipes für die Leistungselektronik

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1 Heatpipes Kundenspezifische Anwendungen Lösungen für Hochleistungswärmetechnik Heatpipes für die Leistungselektronik Temperaturmanagement Industriekomponenten Messtechnik HF-/Mikrowellentechnik Luftfahrtelektronik Entwicklung und Service wir liefern Lösungen!

2 Inhaltsverzeichnis Heatpipes & Thermal Management Systems Was ist ein Heatpipe? Wie funktioniert ein Heatpipe? Produktauswahl Heatpipes Technische Daten Installation von Heatpipes Thermische Schnittstellen und Schnittstellenverbindungen Grundüberlegung und Design Informations-Checkliste Auswirkungen der Gravitation auf Kapillarwirkung und Gegenwirkung der Anziehungskraft Welche Heatpipe-Typen gibt es Heatpipes: Röhrenförmig, ringförmig und mit baffle plates Kundenspezifische Anwendungen Heatpipes nach Kundenwunsch So erreichen Sie uns Jahre Wir liefern Lösungen auch in Zukunft! 2

3 Heatpipes & Thermal Management Systems Danke für Interesse an unseren Heatpipes! Wir freuen uns über Ihr Interesse an unseren Produkten und Dienstleistungen zur Wärmelösung. Der Großteil unserer Arbeit beinhaltet kundenspezifische Anwendungen, welche Ihnen auf den folgenden Seiten einen kurzen Einblick in unsere Produktangebote und Dienst - leistungen geben sollen. Wir hoffen, Sie mit vielen neuen Ideen inspirieren zu können, um gemeinsam mit unserem Wissen Ihre spezielle Wärmelösung zu finden. Wir sind zuversichtlich, dass Sie durch baldige Miteinbeziehung unsererseits umgehend davon profitieren, die beste Lösung für Ihre thermischen Anforderungen zu finden. Telemeter Electronic bietet: Beratung und Design Standard & kundenspezifische Lösung für Heatpipe Kühlung Forschung & Entwicklung Thermischer Leistungstest Prototypisierung und Vorserienproduktion Serienfertigung Was ist eine Heatpipe? Einfach ausgedrückt sind Heatpipes versiegelte Röhrchen mit einer vaporisierenden Arbeitsflüssigkeit. Die Innenseite ist mit einer Kapillarstruktur versehen. Eine Heatpipe kann als ein hoch entwickelter Wärmeleiter betrachtet werden. Die Hitzezufuhr an jeder Stelle bewirkt innerhalb der Heatpipe, dass eine Flüssigkeit verdampft, welche große Mengen an Energie in der Verdampfungsphase mit einem minimalen Temperaturgradienten überträgt. Bei Heatpipes kann die Wärmeleitfähigkeit bis zu 1000x besser sein, als bei einem Kupferstab mit gleichen Abmessungen. Üblicherweise werden Heatpipes als Stäbe mit einem runden Querschnitt im Durchmesser - bereich von 2 bis 50 mm gefertigt, wobei die Länge von einigen Zentimetern bis zu einigen Metern betragen kann. Als Alternative sind Heatpipes auch in flacher Ausführung erhältlich. Wie funktioniert eine Heatpipe? Die Graphik (unten) zeigt den Querschnitt einer Heatpipe mit metallischer Einfassung und der Kapillarströmungslinie. Führt man der Heatpipe von außen Wärme zu, so verdampft die Flüssigkeit im Inneren der Heatpipe. Basierend auf dem Prinzip der latenten Verdampfungswärme verwendet eine Heatpipe Arbeitsflüssigkeit, die in einem versiegeltem Gefäß funktioniert. In Wirklichkeit existiert die Flüssigkeit innerhalb des Gefäßes als nasser, gesättigter Dampf. Der Dampf strömt in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert an den kühleren Stellen der Heatpipe unter Abgabe der Energie. Indem dies geschieht, wird die latente Wärmekapazität der Arbeitsflüssigkeit genutzt, um einen sehr effizienten Energietransfer zu bewirken. Die passive Anwendung von Heatpipes erfordert keine externe Antriebskraft außer jener, der angewandten Temperaturdifferenz (ΔT) der thermischen Ladung. Da sie keine beweglichen Teile beinhalten sind sie in ihrer Funktion geräuschlos und extrem zuverlässig. Heatpipes von Telemeter Electronic werden nach sehr strengen Qualitätsrichtlinien und modernsten Fertigungsmethoden produziert. Integrierte Heatpipe-Komponenten mit eingebauten Kühlerfinnen und Kühlkörper werden als modulare Bauteile gefertigt, welche minimalen thermischen Widerstand aufweisen und einfach zu installieren sind. Vorteile: Extrem hohe Wärmeleitfähigkeit Schnelle Reaktion Geräuscharm Hohe Zuverlässigkeit. Keine beweglichen Teile 3

4 Heatpipes & Thermal Management Systems Produktauswahl Heatpipes Die ST und HT Standardserien Heatpipes sind in folgenden Maßen erhältlich: Durchmesser Länge (+0,0 / 0,5 mm) (+0,0 / -0,1 mm) ,0 2,5 3,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 12,0 Technische Daten Material: Alle Serien unserer Heatpipes werden aus reinem Kupfer gefertigt und sind chemisch verzinnt. Temperaturbereiche: Niedrige Temperatur LT series -20 C bis +150 C Standardtemperatur ST series +5 C bis +170 C Hohe Temperatur HT series +5 C bis +270 C Sehr hohe Temperatur Erhältlich bis zu 300 C auf Anfrage Spezialgrößen: Heatpipes, mit jedem oben genannten Durchmesser, können zu speziellen Längen von 20 mm bis über 3 m gefertigt werden. Abweichungen vom Standarddurchmesser können auf Anfrage jederzeit gefertigt werden. Typen: Mehr als 50 % der produzierten Heatpipes von Telemeter Electronics werden kundenspezifisch gefertigt. Diese beinhalten: flexibles Flachprofil, Ringprofil, integrierte Kühlkörper, Input-Block und Finnen-Heatpipe- Komponenten, um Anschlüsse zu möglichen Hitze produzierenden Teilen zu erleichtern. Spezielle Materialien: Heatpipes sind mit reiner Kupferoberfläche erhältlich legiert mit Zinn, Nickel, Messing, Silber, Chrom oder Gold. Edelstahl-Heatpipes können auf Bestellung auch in ähnlichen Durchmessergrößen hergestellt werden. Bestelloptionen: Für weitere Informationen, Beratungen oder detaillierte Angebote steht Ihnen unser Fachpersonal gerne zur Verfügung. Angaben zu den Heatpipes wie Durchmesser, Länge und Temperaturbereiche werden dazu benötigt. 4

5 Installation von Heatpipes Thermische Schnittstellen In allen Anwendungen bei denen Wärme übertragen wird gibt es thermische Widerstände zu bewältigen. Die größten thermischen Widerstände befinden sich üblicherweise in Übergängen zwischen Komponententeilen. Um diese zu minimieren, sollte man vorzugsweise jegliche thermischen Nähte wo immer möglich eliminieren. Alle verbleibenden Übergänge sollten optimiert werden, um eine gute Wärmeleitung zu gewährleisten. Um für eine mit Nähten versehene Oberfläche gute thermische Übergänge zu erzeugen, sollten diese engen Kontakt miteinander haben. Es ist erforderlich, dass jede Oberfläche eine feine Endoberfläche besitzt und flach zur angrenzenden Oberfläche liegt. Unebene Oberflächen und geringe Anpassungstoleranzen führen häufig in schwachem Kontakt. In einigen Beispielen kann es auch trotz ausreichend breiter Kontaktoberfläche nur sehr wenige Kontaktstellen geben. Im Allgemeinen ist es notwendig ein geeignetes Schnittstellenmaterial zu verwenden, um raue Oberflächendiskrepanzen und Unebenheiten auszugleichen. Genaue Anpassung und hartgelötete Oberflächen erzielen das bestmögliche Ergebnis. Einbau von Heatpipes in vorgebohrte Löcher Der Einbau röhrenförmiger Heatpipes in vorgebohrte Komponenten bietet eine einfache und zweckmäßige Methode für den Zusammenbau. Die gebohrte Lochgröße der Heatpipe sollte eine radiale Spalte zwischen +0,05 mm und +0,12 mm (+0,002 inch/+0,005 inch) um die Heatpipe haben. Telemeter Electronic Standard Heatpipes werden mit einer Durchmessertoleranz von +0,0/-0,1 mm hergestellt, damit sie leichter in die Löcher der nominalen Durchmessergrößen passen. (Anmerkung: gebohrte Löcher sind oft größer abhängig von der konzentrischen Beschaffenheit der individuellen Bohrerspitze. Es wird daher empfohlen das Loch zuerst mit einem kleineren Bohrer zu bohren). Wichtig! Hartlöten von Heatpipes sollte nicht ohne vorherige Absprache mit Telemeter Electronic unternommen werden. Dabei ist eine genaue Temperaturkontrolle erforderlich ohne diese könnte es zu Schäden kommen und es kann zu ernsthaften Verletzungen führen. Telemeter Electronic kann diesen Service während der Fertigung gewährleisten. 5

6 Grundüberlegungen und Design Wenn man sich für eine angemessene Lösung einer thermischen Anwendung entscheidet, ist es notwendig, die thermischen Leistungsanforderungen des Systems (W/ C) und einen akzeptablen Tem - peratur gradienten zu bestimmen. Für Hilfestellung kontaktieren Sie bitte Telemeter Electronic mit so vielen Antworten wie möglich auf die folgende Informations-Checkliste. INFORMATIONS-CHECKLISTE 1. Wie hoch ist die maximale Wärmemenge die abgeleitet werden muss? Wie hoch ist die maximal zulässige Temperatur der Kühlkomponente in C? Wie soll das System gekühlt werden (z.b. Druckluft gekühlt, passiv, Peltiertechnik, etc.)? Wie hoch ist die max. und min. Außentemperatur der zu kühlenden Komponente?... Bedarf an Heatpipes? 5. Wenn Heatpipes verwendet werden sollen, ist deren Funktionsposition horizontal, vertikal oder geneigt? Sind Heatpipes in gerader oder gebogener Form erforderlich? Sind mögliche Anschlüsse an die Heatpipe erforderlich? Wie z.b. Input und/oder Output Einbaublöcke, direkte Anschlüsse, Finnenset, Kühlmantel, Thermoelemente, Montageflansch, Ventilatorengebläse etc Gibt es andere besondere Merkmale zu beachten wie z. B. spezielle Konstruktionsmaterialien, Schwerelosigkeit oder hohe Beschleunigung etc.?... Zusatzinformation? 9. Besteht ein Entwurf oder eine Zeichnung der beabsichtigten Zusammenstellung oder gibt es ein Foto der bestehenden Anlage? Weitere Informationen, welche von Bedeutung sein könnten?... Tabelle 1 Durchmesser Maximum Power Handling Capability C Ø 2,0 9,0 W 11,0 W 12,0 W 13,0 W 14,0 W Ø 2,5 12,5 W 16,0 W 17,5 W 19,5 W 21,5 W Ø 3,0 16,0 W 23,5 W 24,5 W 26,5 W 29,0 W Ø 4,0 22,0 W 27,5 W 30,5 W 32,0 W 37,0 W Ø 5,0 50,0 W 58,0 W 63,0 W 65,0 W 68,0 W Ø 6,0 72,0 W 86,0 W 93,0 W 98,0 W 108,0 W Ø 8,0 90,0 W 108,0 W 115,0 W 122,0 W 134,0 W Ø 10,0 112,0 W 134,0 W 143,0 W 152,0 W 169,0 W Ø 12,0 148,0 W 178,0 W 186,0 197,0 W 218,0 W Die Übersicht bietet Designtechnikern möglichst viele Informationen über die Standardauswahl der Heatpipes. Für die Gesamtleistung der Energieübertragung sollte Tabelle 1 in Verbindung mit Tabelle 2 und 3 gelesen werden. Die max. Leistungsenergieübertragungs raten ersichtlich in Tabelle 1 sind für die ST-Serie und HT-Serie Heatpipes funktionell in horizontaler Ausrichtung (d. h. virtueller Zero Gravitations-Einfluss). Die angegebenen Temperaturabstände von +20 C bis zu +120 C sind Mittel-Funktionstemperaturen entnommen aus einem Mittelmaßpunkt zwischen Hitze-Input- und Hitze-Outputabschnitten der Heatpipe. 6

7 Auswirkungen der Gravitation Auswirkungen der Gravitation auf die Kapillarwirkung Die Effektivität der Heatpipe hängt stark von der Kapillarwirkung innerhalb der Heatpipe ab. Diese Funktion wird von der sogenannten Dochtwirkung (wicking effect) unterstützt, welche in der Heatpipe eingebaut ist. Anziehungskraft hat einen wichtigen Einfluss auf die thermische Leistung. In Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die Anziehungskraft vorteilhaft zur Steigerung des thermischen Transmissionspotenzials bis zu doppelt so hoch wie der maximale horizontal Wert in Tabelle 1 genutzt werden kann. Tabelle 2 Gegenwirkung der Anziehungskraft Um wiederum die Arbeitsflüssigkeit zum Verdampfer zurückzuleiten und die Gravitation zu überwinden, ist die Funktion und die Hitzeableitung der Heatpipe mit hohem Ev enorm von der Kapillarwirkung abhängig. Tabelle 3 zeigt die Wirkung, welche die Leistungskapazität unterdrückt. In dieser Situation muss die Pumpleistung der Heatpipe gegen den statischen Höhenunterschied zwischen Cd und Ev arbeiten. Für bestimmte Anwendungen, in denen es erforderlich ist, dass Heatpipes auf diese Weise funktionieren, kann Telemeter Electronic Heatpipes mit speziellem Anti-Gravity-Wicking-System bieten. Diese SSX-Serien Heatpipes bedienen sich der Dochtstrukturen (wick structure), welche eine verstärkte Kapillar-Pumpwirkung gegenüber den Standardserien entwickeln. SSX Serien haben bauartbedingt einen größeren Durchmesser und ein beschränktes Belastbarkeits - potenzial. Tabelle 3 Foto rechts: Querschnitt von Anti-Gravity Heatpipes (Wick-structures können gesintert oder mit viel - schichtigem Metallgewebe sein je nach Anwendungsbedarf). 7

8 Welche Heatpipe Typen gibt es? Röhrenförmige Heatpipes Diese stellen die einfachste und beliebteste Form der Heatpipes dar und werden am häufigsten in allgemeinen Anwendungen verwendet, um Wärmeenergie von einem Punkt zum nächsten zu verlagern. Alternativ dazu können sie ebenso als Wärmespreizer verwendet werden, um Komponenten zu homogenisieren, welche eine einheitliche Temperatur erfordern. Obwohl Heatpipes in erster Linie in Kühlanwendungen verwendet werden, können sie auch sehr wirkungsvoll in Wärmeanwendungen eingesetzt werden. Das kann die Notwendigkeit multipler, elektrischer Wärmeelemente zunichte machen und vereinfacht die Verkabelung und das Design. Ringförmige Heatpipes Hierbei handelt es sich um Heatpipes mit axialkonzentrischem Bohrloch. Sie werden in vielerlei Hinsicht verwendet wo Hitzeübertragung zusammen mit mechanischen Vorgängen vorgesehen ist. Beispiele: Als Fließkanal für Gas oder Flüssigkeit Für Verkabelung oder Thermoelemente Als Einbauhülse für Durchzugsrohrmechanismus Heatpipe-Röhrchen mit größerem Durchmesser werden ähnlich gemacht mit offenem Zentralbohrloch für die Verwendung als drehbarer thermischer Spreizer mit Luftkühlung. Heatpipes mit baffle plates Heatpipes ausgestattet mit Ablenkplatte (baffle plates) werden in wassergekühlten Anwendungen verwendet. Die Heatpipes sind in versiegelten Verteilern installiert und leiten Wärme von der Wärmequelle zum Kühlwasser. Die angefügten Axial-baffle plates dienen dazu, dass Wasser in der Heatpipe Kühllänge in den Fließkanal zu leiten. 8

9 Kundenspezifische Anwendungen Gekrümmte röhrenförmige Heatpipes Bei gängigen Anwendungen ist es häufig erforderlich, dass Heatpipes gekrümmt sind, um sich einer Route in einer speziellen Installation anzupassen mit möglicher, komplexer 3D- Architektur. Exakte Krümmung oder knappe Biegeradien können während der Herstellung ohne Probleme realisiert werden. Flexible Heatpipes für bewegliche Anwendungen Ein bestimmter Grad an Flexibilität ist mit den meisten Standardausführungen gegeben. Sehr häufig genügt dies, kleine dimensionale Toleranzunterschiede einzubringen, auf die man beim Einbau mit anderen Komponenten stößt. Wirklich flexible Heatpipes werden mit einem dehnbaren Profil gefertigt, welches ausgezeichnete Flexibilität sowie Anti-Vibrationseigenschaften bietet. Variable Conductance Heatpipes (VCHP) VCHP s bieten ein Mittel zur automatischen Temperaturkontrolle. Bei Regulierung der Wärmeleitfähigkeit ist es möglich, das Verdampferprofil bei konstanter Temperatur mit nur rund 5 C Fluktuation aufrecht zu erhalten. VCHP s sind speziell voreingestellt, um über eine bestimmte Temperaturgrenze unterschiedlicher Außenbedingungen und veränderbarer Wärmeeinspeisung zu funktionieren. Wo sehr präzise Kontrolle erforderlich ist, können sie auch mit elektronischer Kontrolle integriert sein und erreichen damit eine Temperaturstabilität von mehr als 1 C mit minimalem Verbrauch für den Kontrollkreislauf. Dioden-Heatpipes Dioden-Heatpipes mit hoher thermischer Leitfähigkeit in eine Richtung und mit niedriger thermischer Leitfähigkeit in die andere Richtung sind ebenfalls erhältlich. Sie werden hauptsächlich in Raumfahrtapplikationen angewandt, bei denen es für Kühlkörper möglich ist, die Heatpipe-Verdampfertemperatur aufgrund der Sonneneinstrahlung zu übersteigen. Für gewöhnlich verwendet man eine ganze Anordnung von Dioden Heatpipes zusammen, um Wärme in eine Reihe von alternativen Kühlkörpern abzuführen, sodass die Kühlleistung immer aufrecht erhalten bleibt. 9

10 Kundenspezifische Anwendungen Heatpipe Hochleistungskühlkörper Eingebaute Heatpipe Kühlkörper in Kühlfinnenanordnungen bieten eine der wirksamsten mitteleffiziente Kühlung für Leistungselektronik-Komponenten zu gewährleisten. Leistung in diesem Beispiel: Rth = 0.09 C/W. (d. h. mit 100 W Wärmeableitung ist der Wärmezuführungsblock nur um 9 C höher als die Außenkühltemperatur!). Hochleistungs-(wassergekühlter) Heatpipe Wärmeaustauscher Hier wird eine gebündelte Anordnung von Heatpipes in einem Hochtemperatur-Gas - strömungsmehrfachverteiler verwendet, wobei über 5 kw der Wärmeenergie ins Kühlwasser umgeleitet werden. Heatpipe Systeme bieten leichtere und kompaktere Montageteile als die konventionellen Systeme, die sie ersetzen. Heatpipe Prozessorkühler Prozessorkühlung ist eine zunehmend anspruchsvolle Herausforderung. Hier bietet eine Heatpipe Kühlung eine optimale Lösung, wobei die Wärme an der Wärmequelle gesammelt wird und an einer geeigneten Stelle abgeleitet wird. Die Finnenausführung mit Heatpipes wird sehr wirkungsvoll angewandt, da die Heatpipe den Wärmefluss sehr gleichmäßig an jede Finne verteilt und man dadurch einen höheren Wirkungsgrad als mit konventionellen Finnenkühlkörpern erhält. Leistung: 0,35 C/W kennzeichnend mit 70 W Ableitung, obwohl 0,09 C/W möglich wären vorausgesetzt der erforderliche Raum für die Finnenausstattung ist ausreichend. Gehäusekühler Heatpipe Abdeckkühler bieten eine kompakte und konventionelle Kühlmethode für IP 54 Gehäusekühler. Eine interne Finnenreihe ist mit einer externen Finnenreihe verbunden. Eine zentrale Trennplatte bildet einen integrierten Teil des Montageeinbaus. Der Einbau erfordert lediglich einen geeigneten rechteckigen Ausschnitt und Befestigungsbohrungen im Gehäuse. Die Einheiten sind über die zentrale Trennplatte hermetisch abgeriegelt. Kleinere Einheiten erledigen 200 W bis 2 kw und erhalten eine interne Umgebungstemperatur von weniger als 50 C. Heatpipe Gehäusekühler werden auf Bestellung gefertigt und werden kundenspezifisch mit Lüftern geliefert. 10

11 Kundenspezifische Anwendungen Heatpipe IGBT Kühler Diese modularen Heatpipe Einheiten bieten eine der zweckmäßigsten Optionen für Leichtgewicht und Hochleistungskühlung von Leistungshalbleitern. Üblicherweise werden diese in Beförderungsanlagen zur Kühlung der Antriebssteuerungen verwendet. Einfach zu installieren, bedarf es im Normalfall keiner weiteren Instandhaltung als einer gelegentlichen Reinigung. Power Rating: 2 kw bis 3 kw pro Modul mit Lüfter Robuste Gehäusekühler Gehäusekühler, mit integrierten Heatpipes, bieten den neuesten Stand in der technischen Entwicklung robuster Kühllösungen. Diese robusten Gehäuse werden in Situationen verwendet, wo Leistungselektronik-Komponenten von entscheidender Bedeutung unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen arbeiten müssen. Die abgebildeten Gehäusekühler sind getestet um militärischen Anforderungen zu entsprechen und werden für IT-Systeme verwendet. Diese hermetisch versiegelten Gehäuse sind sowohl gasdicht als auch wasserdicht und werden bei speziell entwickelten Einbautechnologien angewandt. Das interne Funktionssystem ist auch stoß- und vibrationssicher. Flexible Heatpipes von Telemeter Electronic sind der internen Elektronikeinheit angefügt und bieten einen hohen thermischen Leitanschluss, um die im Inneren gebildete Wärme zum gehäuseexternen Kühlkörper abzuführen. Die außerhalb befestigten Axiallüfter gewährleisten eine aktive Kühlleistung, wo der Bauraum eher beschränkt ist. Aktuelle Anwendungen findet man in Flugbordsystemen, Unterhaltungssystemen, Militärhelikopter, Kampfmaschinen, Schiffen und Tauchgeräten. Heatpipe Wärmeaustauscher Heatpipe Wärmeaustauscher werden in großem Umfang individuell nach thermischen Anforderungen konfiguriert. Unterschiedliche volumetrische Luftdurchsätze werden durch Optimierung der Luftkanalgröße bewerkstelligt. Das Finnenvolumen wird gemeinsam mit dem internen und externen Massendurchfluss präzise entworfen, um Unstimmigkeiten auszugleichen. Power Rating von 2 kw bis 80 kw. (Maximale Mittel-Funktionstemperatur +250 C) 11

12 So erreichen Sie uns: Fachbereiche Hotline Temperaturmanagement Industriekomponenten Messtechnik HF- und Mikrowellentechnik Luftfahrtelektronik Entwicklung und Service Regionalvertrieb Region PLZ Ansprechpartner Telefon Deutschland Südwest 54 56, 6, 7, 97 Kurt Ortner West 34 36, 40 48, 50 53, Manfred Schmitz Nord 20 29, 30 33, 37 38, 49 Dieter Schmidt Ost 0, 1, 39, Frank Kramer Österreich Schweiz Tschechische Republik Ladislav Křížek und Slowakei Jana Šírková Deutschland Telemeter Electronic GmbH Joseph-Gänsler-Straße Donauwörth Telefon Telefax Schweiz Telemeter Electronic GmbH Romanshornerstrasse Kreuzlingen Telefon Telefax Tschechische Republik Telemeter Electronic s.r.o. České Vrbné České Budějovice Telefon Telefax Heatpipes_ _V1 Technische Änderungen vorbehalten. Jede Wiedergabe oder Vervielfältigung ist nur mit Genehmigung von Telemeter Electronic GmbH gestattet.